Neue Informationsübertragung für Implantate Molekulare Kommunikation mit dem Herzschrittmacher

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Universität Regensburg

Chemische Fabrik Dr. Weigert GmbH & Co. KG

SIM Scientific Instruments Manufacturer GmbH

2mag AG

Implantierte medizinische Geräte arbeiten autonom und können nur von außen beeinflusst werden. Um die Steuer- und Lesbarkeit dieser Geräte zu verbessern, tüfteln Wissenschaftler des Projekts Ermes an neuen Wegen, mit diesen Implantaten kommunizieren zu können. Dies soll zukünftig durch eine „molekulare Kommunikation“ möglich sein.

Mit der Zunahme chronischer Erkrankungen wachsen auch die Einsatzmöglichkeiten für so genannte Aimds (kurz für Active Implantable Medical Devices) mit denen fehlende oder defekte Körperteile ersetzt, Medikamente verabreicht, Körperfunktionen überwacht oder Organe und Gewebe unterstützt werden können. Bekannteste Beispiele für Aimds sind technische Geräte wie Herzschrittmacher oder implantierbare Defibrillatoren. Sie werden durch einen medizinischen oder chirurgischen Eingriff in den Körper eines Patienten implantiert, um dort vor Ort für unbestimmte Zeit ihre Dienste zu verrichten. Solche Geräte arbeiten allerdings autonom und müssen Daten nach außen übertragen. Die eingeschränkte Möglichkeit, ihre Funktion zu steuern und zu überwachen stellt ein wesentliches Hemmnis für neue Entwicklungen dar. Dies liegt vor allem daran, dass die Implantate innerhalb des Körpers über klassischen Übertragungswegen wie elektromagnetischer Wellen, nur eingeschränkt steuer- und lesbar sind.

Ziel des Projektes ist die Entwicklung eines neuen Konzepts der Informationsübertragung für aktive implantierte Geräte.

Wege der neuen Signalübertragung

Um eine effiziente Kommunikation mit Aimds zu gewährleisten, müssen spezielle Wege der Informationsübertragung zwischen den Geräten – sowohl innerhalb als auch außerhalb des Körpers – entwickelt und etabliert werden. In ihrem Projekt Ermes (information transfer between medical doctors and implanted medical devices via synthetic molecular communication) wollen die Projektpartner diese Lücke schließen.

Das Kommunikations- und Sensorkonzept baut dabei auf drei Säulen:

• 1. das chemische Design und die Synthese geeigneter Botenstoffe

• 2. die Entwicklung geeigneter Transportsysteme, um die Botenstoffe über das Blutkreislaufsystem in den Körper einzubringen

• 3. die Entwicklung von Nachweisstrategien für die entsprechenden Botenstoffe im Blutkreislauf.

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Entwicklung molekularer Kommunikation mithilfe von Hühnereiern

Prof. Silke Härteis vom Institut für Molekulare und Zelluläre Anatomie der Fakultät für Biologie und Vorklinik an der Universität Regensburg nutzt dafür das so genannte Chorion-Allantois-Membran (Cam)-Modell. Beim Cam-Modell ersetzt die Aderhaut von befruchteten Hühnereiern – auch Chorion-Allantois-Membran genannt – klassische Tierversuche. Es ist zudem kosteneffizient und zeitsparend. Dieses Modell wurde bereits für ein Projekt zur Forschung an der Entstehung verschiedener Nierenerkrankungen genutzt und prüft vielversprechende Medikamente auf ihre Wirksamkeit.

Auch für das Projekt im Rahmen des Horizont-Förderprogramms setzt die Wissenschaftlerin auf dasselbe Modell, mit dem Ziel neuartige Informationssysteme für Aimds zu entwickeln. Hierbei sollen Moleküle – also chemische Verbindungen – für die Kommunikation zwischen Implantaten innerhalb des Körpers eingesetzt werden. Dieses noch relative neue Konzept der Informationsübertragung wird „molekulare Kommunikation“ genannt. „Die molekulare Kommunikation basiert auf Prinzipien aus der Natur und kodiert Informationen in dem sie unterschiedliche Konzentrationen oder Eigenschaften von Molekülen nutzt“, sagt Härteis.

Für die Kommunikation zwischen Aimds und externen Geräten außerhalb des Körpers sind so genannte Gateways erforderlich, die es ermöglichen, ein Körpersignal in eine bestimmte Molekülkonzentration umzusetzen, welche anschließend in ein makroskopisches Signal wie etwa Licht oder elektromagnetische Wellen verwandelt werden kann. Diese Signale werden dann von externen Geräten empfangen und verarbeitet.

Sichere Kommunikation zwischen Implantat und Geräten

Da die Anwendungen von solchen neuen Konzepten vor allem in der Gesundheitsüberwachung und Behandlung von Krankheiten liegen, ist es wichtig, die Abhörsicherheit der Kommunikation zwischen Aimds und mit externen Geräten zu gewährleisten. Daher beschäftigen sich die Forschenden auch mit der Entwicklung von Konzepten zur abhörsicheren Kommunikation zwischen Implantat mittels Molekülkonzentration und mit externen Geräten.

Erfolg durch Interdisziplinarität

„Die Stärke des Horizont-Projekts liegt unter anderem in seiner Interdisziplinarität. So besteht das Konsortium aus Experten im Bereich Chemie, Mikrofluidik, Kommunikationstechnik, Ethik, Biologie und Medizin“, sagt Prof. Härteis. Die Forschung erfolgt in mehreren Stufen und beinhaltet die theoretische Entwicklung neuartiger Konzepte und Simulationsmethoden der Signalübertragung sowie deren mehrstufige experimentelle Realisierung und Verbesserung.

Förderung durch ein europäisches Förderprogramm

Horizont Europa ist das Rahmenprogramm der Europäischen Union für Forschung und Innovation für 2021 bis 2027. Ziel ist eine wissens- und innovationsgestützte Gesellschaft und wettbewerbsfähige Wirtschaft aufzubauen und zu einer nachhaltigen Entwicklung beizutragen. Mit dem Pathfinder-Programm des Europäischen Innovationsrats sollen radikal innovative Technologien identifiziert werden, die das Potenzial haben, ganz neue Märkte zu schaffen. Dazu werden visionäre und risikoreiche Projekte in einem frühen Entwicklungsstadium gefördert, bei denen über die Grundlagenforschung hinaus eine klare technologische Entwicklungsmöglichkeit besteht.

Für das Projekt Ermes stellt die Europäische Union im Rahmen des hoch kompetitiven Förderprogramms Horizont - EIC (European Innovation Council) Pathfinder Open - über einen Förderraum von 36 Monaten mehr als 3,7 Millionen Euro zur Verfügung). Aus Bayern beteiligt sind die Universität Regensburg (Prof. Dr. Härteis), die TH Deggendorf (Prof. Dr. Aung) und die FAU Erlangen-Nürnberg (Dr. M. Schäfer). „Ihnen wurden mehr als ein Drittel der Fördersumme bewilligt. Ein grandioser Erfolg. Von 1119 eingereichten Anträgen wurden in diesem Jahr nur 40 bewilligt“, sagt Prof. Silke Härteis, die das Regensburger Teilprojekt leitet. Weitere Partner des Verbundprojekts sitzen in Finnland und Frankreich. Die Federführung hat die Università di Catania in Italien. Neben den Universitäten sind auch vier Firmen beteiligt.

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